| 研究課題/領域番号 |
21J20538
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
藤村 諒大 北海道大学, 大学院総合化学院, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| キーワード | 電気化学 / 腐食防食 / 溶液分析 / 数値計算 |
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| 研究実績の概要 |
金属材料表面で起こる腐食反応を精確に把握するため、溶液フロー型電気化学セルの流路を誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP-OES)の分析溶液の導入路と一致させた電気化学ICP－OES測定系を構築した。電気化学測定時に材料表面から溶出する合金成分が検出器であるICP－OESで検出されるまでのタイムラグについて、数値計算と実験の両側面から検討した。有限要素法を用いて電気化学セルの流路を模擬したモデル内の流体力学計算を行い、流路内における物質拡散と溶液流れの式を連成解析して電気化学測定とICP-OES測定を同時かつ高い分析感度で行うことが可能な流路構造と流体力学条件、および最適な測定条件を設計した。その結果、実験結果と数値計算結果を対応させることに成功し、電気化学反応から時間にして数秒以内に全生成量のうちの98%以上を検出できることを確認した。これにより電気化学反応の過渡応答をほぼリアルタイムで解析することが可能になった。構築した本測定系を実際に硫酸酸性水溶液中の鉄-アルミニウム合金の電気化学測定に適用したところ、電流値変化と対応した鉄およびアルミニウムの溶解量の時間変化を定量することに成功した。各時間範囲での電流値と溶解量の比較から、活性態の電位範囲においては鉄/アルミニウム溶解比が試料電位に依存して変化することを明らかにし、不働態化直前には添加されたアルミニウムが優先溶解することで母材の溶解と不働態化過程に影響を与えることを示唆する結果を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
「研究実績の概要」に示したとおり、電気化学反応とICP-OES溶液分析を時間同期させた測定を可能にする溶液フロー型電気化学セルの開発に成功した。電極反応生成物が電極表面から検出器まで輸送されるときの溶液対流と物質拡散を模擬して、実験結果と結びつけた。これら数値計算と実験結果に基づいた電気化学ICP-OES溶液分析測定の時間応答性と検出感度を検討することにより、従来よりも高感度に分析することが可能な装置系を構築し、時間応答性に関わる一連の評価手法を確立した。
また開発した本測定系を用いた鉄ーアルミニウム系合金の電気化学反応解析から、従来手法では検出不可だった水溶液中のおけるアルミニウム酸化化学種を定量し、腐食反応時の合金成分の物質輸送過程を評価することを実現しつつある。当初の予定通り溶液分析法を確立して、材料分析まで取り組むことができており研究は概ね順調に進んでいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度は、異なる合金組成と合金成分を含んだ鉄鋼材料も含めて電気化学測定とICP-OES溶液分析を行う。硫酸酸性水溶液中で試料を動電位・定電位分極する間に溶出する各合金成分をその場定量する。分極時間や電位の掃引速度を変えるなど電気化学測定条件を変えた時の各元素の溶解挙動について表面の不働態化過程との関連を調査する。分極後の試料表面、特に不働態表面はAESなどの真空分析装置を用いて深さ分析し、表面に残留した合金成分の酸化状態を明らかにする。また真空分析結果を溶液分析結果と対比させることで電極反応時の各元素の物質輸送について明らかにする。さらに電気化学測定時の溶液流量を変えた時の溶解反応について検討し、元素の拡散挙動と不働態皮膜の耐食性に与える化学的な役割について詳しく検討する。
これに加えて本年度はICP-OES溶液分析の検出感度をさらに向上させるため、電気化学セルのすぐ下流に超音波ネブライザーを取り付けて不働態域など溶出量が極端に小さな電位域における溶出量の定量の実現を目指す。
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